王力鋒，周萬洋

(百色學(xué)院，廣西 百色 533000)

0 引言

如今物流配送行業(yè)迅猛發(fā)展，每天都有成千上萬的人進(jìn)行網(wǎng)購或通過快遞寄送物品。數(shù)以萬計(jì)的快遞包袱配送已經(jīng)完全超出工人手工運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，所以經(jīng)過科技手段的研制利用GPS/INS控制的無人機(jī)來進(jìn)行物流配送，在物流中轉(zhuǎn)站中有不同大小、不同重量、不同易碎程度的快遞包裹需要進(jìn)行分類，這就需要依靠GPS/INS來調(diào)整控制無人機(jī)的物流配送路線[1]。

無人機(jī)的配送路線失誤率小、可控制、路徑識(shí)別能力強(qiáng)，因此可以依賴無人飛機(jī)進(jìn)行快遞包裹的轉(zhuǎn)運(yùn)配送。本文便研究分析基于GPS/INS的無人機(jī)物流配送路徑識(shí)別與控制，GPS/INS是一種導(dǎo)航能力較強(qiáng)的系統(tǒng)，屬于復(fù)合導(dǎo)航的類型，具有精確度高、反應(yīng)迅速、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。所以相信在這種高能力導(dǎo)航的監(jiān)測(cè)下無人機(jī)的物流配送能力會(huì)得到顯著的提升[2]。

本文主要分析無人機(jī)的物流配送軌跡和無人機(jī)進(jìn)行配送時(shí)導(dǎo)航的控制能力。無人機(jī)的物流配送軌跡相當(dāng)于人體中的筋脈與神經(jīng)系統(tǒng)，無人機(jī)受導(dǎo)航控制能力相當(dāng)于人體中的大腦[3]。只有導(dǎo)航的控制與無人機(jī)的物流配送軌跡相互配合才能達(dá)到最為理想的狀態(tài)。所以不僅能需要對(duì)基于GPS/INS的無人機(jī)物流配送路徑識(shí)別與控制分別分析計(jì)算，還要將這兩項(xiàng)內(nèi)容整體的結(jié)合來進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)分析。這樣的實(shí)驗(yàn)效果才會(huì)達(dá)到能夠應(yīng)用于實(shí)際中的層次。

1 基于GPS/INS的無人機(jī)物流配送軌跡識(shí)別

1.1 無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別

無人機(jī)在空中進(jìn)行飛行運(yùn)動(dòng)是常見的一種運(yùn)動(dòng)軌跡，即無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)，當(dāng)無人機(jī)即將進(jìn)入橫滾運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)保持一種水平的飛行狀態(tài)，再通過輕輕地拉桿使飛機(jī)具有一定的角度(角度大小隨飛機(jī)型號(hào)而異)，從而開始進(jìn)行無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)[4]。綜上所述，無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)是指無人機(jī)在水平平穩(wěn)飛行的狀態(tài)下發(fā)生空中周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只在水平方向上發(fā)生角度以及位置上的變化，并沒有產(chǎn)生明顯的軌跡偏移。所以本文在研究無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡的過程中不考慮飛行方向的問題，只考慮無人機(jī)飛行橫滾角的變化量與速率的因素。假設(shè)無人機(jī)在三分鐘內(nèi)做出1次橫滾運(yùn)動(dòng)，那么無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)周期便為三分鐘每次，三分鐘內(nèi)的橫滾角的變化量為未知量，那么無人機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)，做出橫滾運(yùn)動(dòng)的次數(shù)便為橫滾運(yùn)動(dòng)的變化速率，它與無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)周期之比為分子無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)橫滾角變化速率，為分母的數(shù)值。得出的數(shù)值經(jīng)過進(jìn)一步的推算，再用橫滾角運(yùn)動(dòng)變化速率除以上一步所推出的數(shù)值便為無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)角度的變化量[5]。

影響無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡的可能性因素還有無人機(jī)的飛行速度、橫滾的周轉(zhuǎn)位置以及橫滾的加速度。下文便逐一的分析以上因素是否能夠影響無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移。

首先本文分析無人機(jī)的飛行速度的改變是否會(huì)使無人機(jī)橫滾的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變。由于無人機(jī)在進(jìn)行橫滾運(yùn)動(dòng)之前一定要保持水平狀態(tài)，并且水平飛行速度要保持水平勻速運(yùn)動(dòng)，所以無人機(jī)的每一時(shí)刻均要保持相同的速度，否則會(huì)使無人機(jī)的機(jī)身不穩(wěn)定從而導(dǎo)致一定的危險(xiǎn)[6]。只有無人機(jī)在進(jìn)行橫滾運(yùn)動(dòng)的水平速度與無人機(jī)沒有進(jìn)行橫滾運(yùn)動(dòng)的上一時(shí)刻速度保持一致才能進(jìn)行無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)。綜上所述，無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行軌跡受無人機(jī)飛行速度的影響，只有飛行速度在橫滾運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生前與和橫滾運(yùn)動(dòng)發(fā)生過程中保持一致才能進(jìn)行無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)，否則會(huì)使無人機(jī)帶有危險(xiǎn)性從而發(fā)生軌跡的偏移。

接著本文繼續(xù)分析橫滾運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行位置對(duì)無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡的影響程度。根據(jù)上文可知無人機(jī)在空中進(jìn)行橫滾運(yùn)動(dòng)的周期，則可以利用無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)周期來計(jì)算無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)位置，分析可得無人機(jī)沒有發(fā)生橫滾運(yùn)動(dòng)時(shí)的位置加上橫滾運(yùn)動(dòng)的變化時(shí)間與橫滾運(yùn)動(dòng)周期的乘積就可以推算出無人機(jī)實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)位置。根據(jù)文中的推理依據(jù)可以總結(jié)出無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)周轉(zhuǎn)位置會(huì)對(duì)無人機(jī)的很橫滾運(yùn)動(dòng)運(yùn)行軌跡產(chǎn)生變化。產(chǎn)生的影響的大小隨時(shí)間的變化而變化，隨周期的長短而確定。

最后本文將分析無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)加速度對(duì)無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡的影響大小。根據(jù)力學(xué)中的定理，加速度的產(chǎn)生是受到力的影響，所以在無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)的過程中當(dāng)發(fā)生角度上的偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)對(duì)無人機(jī)周圍的空氣或其他的物體產(chǎn)生力的作用，又由于力的作用是相互的，所以加速度產(chǎn)生的力會(huì)影響無人機(jī)進(jìn)行橫滾運(yùn)動(dòng)的軌跡。當(dāng)加速度增大時(shí)，由于力的作用同時(shí)也增大，無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)軌跡也發(fā)生不同程度的軌跡偏轉(zhuǎn)。

1.2 航向運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別

無人機(jī)的航向運(yùn)動(dòng)可以看成水平圓周運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過程中無人機(jī)保持勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以看做是靜止懸空狀態(tài)。由于飛機(jī)在飛行過程中難免會(huì)有需要改變飛行狀態(tài)的時(shí)候，但只會(huì)在水平方向上發(fā)生變化運(yùn)動(dòng)，會(huì)做出上文提到的橫滾運(yùn)動(dòng)。因此航向運(yùn)動(dòng)軌跡的改變與無人飛機(jī)做出的橫滾運(yùn)動(dòng)有一定的關(guān)聯(lián)，所以下文將分析橫滾運(yùn)動(dòng)對(duì)航空運(yùn)動(dòng)軌跡的作用，與航空運(yùn)動(dòng)軌跡的識(shí)別。航向運(yùn)動(dòng)的軌跡整體示意圖見圖1所示。

圖1 航向運(yùn)動(dòng)軌跡整體示意圖

當(dāng)無人機(jī)在進(jìn)行水平圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)物理學(xué)定理可得，無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)的軌跡與飛行產(chǎn)生的空氣阻力、無人機(jī)自身的重力、無人機(jī)的向心加速度有關(guān)。根據(jù)上文可以分析出，當(dāng)無人機(jī)的向心加速度與重力相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)，飛機(jī)的水平飛行速度已知，飛機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)角速度根據(jù)上文也可以得出結(jié)果。則無人機(jī)再飛行過程中的向心加速度為重力加速度的平方與時(shí)間和無人機(jī)橫滾運(yùn)動(dòng)角度的乘積。

利用無人機(jī)的向心加速度可以求出無人機(jī)航行運(yùn)動(dòng)給的軌跡半徑進(jìn)而求得無人機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)角速度。無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑可以表示為無人機(jī)飛行速度的二次方與飛行加速的的比值。得知無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑便可以通過無人機(jī)飛行速度的數(shù)值與無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)的軌跡半徑來獲取結(jié)果。以上過程所求得的結(jié)果均與無人機(jī)的橫向運(yùn)動(dòng)的運(yùn)行軌跡的相關(guān)聯(lián)，是無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)軌跡的影響因素[7]。

當(dāng)需要計(jì)算無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)航向軌跡時(shí)需要考慮以上因素的影響，并以上文中的結(jié)果作為基礎(chǔ)來計(jì)算無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)的軌跡。無人機(jī)的飛行過程中的改變方向次數(shù)是確定飛行軌跡的重要因素，它決定無人機(jī)飛行軌跡的半徑大小，從而導(dǎo)致飛機(jī)的運(yùn)行軌跡的不同。每次無人機(jī)的運(yùn)行軌跡的該變量的大小也影響著無人機(jī)航向運(yùn)行軌跡，改變量的數(shù)值越大無人機(jī)的航向飛行軌跡的半徑也就越大，無人機(jī)的飛行行程也就越遠(yuǎn)。

飛機(jī)的航向運(yùn)動(dòng)的軌跡改變次數(shù)為航行角度的變化量與無人機(jī)轉(zhuǎn)彎角速度的比值再與無人機(jī)做水平圓周運(yùn)動(dòng)給的運(yùn)行周期的比值。無人機(jī)的航向軌跡改變變化量可以表示為無人機(jī)航向角度變化量除以無人機(jī)軌跡的改變次數(shù)。

如圖2所示，最終的無人機(jī)航向運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以根據(jù)圓心的位置、無人機(jī)的角度該變量、無人機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)半徑來決定[8]。

圖2 無人機(jī)與圓心位置關(guān)系

1.3 俯仰運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別

無人機(jī)的俯仰運(yùn)動(dòng)也是無人機(jī)的常規(guī)運(yùn)行軌跡之一，仰俯運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)原理是由于無人機(jī)翼所受的空氣流動(dòng)速度的不同而導(dǎo)致大氣壓強(qiáng)差從而使飛機(jī)機(jī)翼發(fā)生一定角度的變化產(chǎn)生無人機(jī)的仰俯運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也改變了無人機(jī)的飛行速度與運(yùn)動(dòng)軌跡。

仰俯運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生導(dǎo)致三個(gè)方向速度變化，分別為左側(cè)速度、右側(cè)速度、上側(cè)速度。但是仰俯運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生時(shí)只改變兩個(gè)方向的速度，但是上側(cè)速度是每次俯仰運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變的。如下為俯仰運(yùn)動(dòng)的速度關(guān)系如圖3所示。

圖3 俯仰運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系

俯仰運(yùn)動(dòng)的軌跡位置可以利用上文中的航向運(yùn)行軌跡的計(jì)算方法來進(jìn)行識(shí)別。影響仰俯運(yùn)動(dòng)軌跡的因素也與航向運(yùn)動(dòng)的影響因素一致，因此此章節(jié)不再仔細(xì)對(duì)仰俯運(yùn)動(dòng)軌跡的位置識(shí)別做分析計(jì)算[9]。

2 基于GPS/INS的無人機(jī)物流配送導(dǎo)航控制

無人機(jī)的物流配送導(dǎo)航是由GPS/INS兩種導(dǎo)航之間相互配合的，技術(shù)人員巧妙的利用了兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)配合，GPS導(dǎo)航可以全天無條件的工作并且精確度高，但是GPS導(dǎo)航系統(tǒng)很容易受到外來因素的干擾而影響正常工作。但是INS導(dǎo)航的最突出特點(diǎn)就是抗干擾能力強(qiáng)[10]。無人機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 無人機(jī)結(jié)構(gòu)

本文將使用GPS欺騙干擾的方法來進(jìn)行對(duì)無人機(jī)物流配送的控制，使GPS系統(tǒng)向無人機(jī)的信號(hào)接收系統(tǒng)發(fā)送虛假信號(hào)，為無人機(jī)規(guī)劃虛假航行路線，使無人機(jī)沿著虛假信號(hào)所定位的位置航行，這樣便控制了無人機(jī)的飛行軌跡。導(dǎo)航的控制程序如圖5所示。

圖5 導(dǎo)航控制程序

無人機(jī)的欺騙導(dǎo)航系統(tǒng)主要由信號(hào)接收器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)器組成。根據(jù)本文第一節(jié)可知無人機(jī)在航行的過程中會(huì)產(chǎn)生不同的飛行狀態(tài)，當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)需要對(duì)無人機(jī)發(fā)出控制命令時(shí)需要首先對(duì)無人機(jī)的飛行狀態(tài)做出監(jiān)測(cè)。無人機(jī)在航行的過程中會(huì)以不同的速度飛行，當(dāng)需要改變無人機(jī)的飛行狀態(tài)，則必須要通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)器觀測(cè)出速度以及加速度的大小，再通過導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)計(jì)算來對(duì)無人機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)做出控制命令。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文實(shí)驗(yàn)主要目的為利用GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)尋找最適合控制無人機(jī)物流配送軌跡的方法與條件，實(shí)驗(yàn)中主要通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方法使多組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終選擇最佳的方法。實(shí)驗(yàn)最終還要利用FDI算法對(duì)仿真模擬過程進(jìn)行計(jì)算來確定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的可行性。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)將利用GPS欺騙干擾原理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，通過GPS向無人機(jī)的信號(hào)接收器發(fā)送虛假信號(hào)從而使無人機(jī)沿虛假路線航行，這樣便實(shí)現(xiàn)了GPS對(duì)無人機(jī)的航行軌跡的控制。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

3.3.1 有干擾與無干擾對(duì)比實(shí)驗(yàn)

假設(shè)無人機(jī)從坐標(biāo)原點(diǎn)開始進(jìn)行航行狀態(tài)，沿縱坐標(biāo)軸飛行四分鐘，此時(shí)無人機(jī)的航向速度達(dá)六米每秒，四分鐘至六分鐘的時(shí)間段無人機(jī)開始做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)彎最終的飛行方向?yàn)闄M坐標(biāo)方向，轉(zhuǎn)彎的過程中加速度大小為0.45 m/s2，完成轉(zhuǎn)彎的加速度便恢復(fù)為0，無人機(jī)繼續(xù)以六米每秒的速度航行，做直線勻速運(yùn)動(dòng)。沿橫坐標(biāo)正軸方向勻速直線勻速運(yùn)動(dòng)一分鐘后開始迅速向縱坐標(biāo)負(fù)方向轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度為向橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)加速的的二倍。轉(zhuǎn)彎后的加速度依舊恢復(fù)為0，無人機(jī)航行的八分鐘到十分鐘便沿縱坐標(biāo)負(fù)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。GPS的欺騙設(shè)備安放在無人機(jī)的起點(diǎn)處，假設(shè)無人機(jī)與欺騙設(shè)備的誤差忽略不計(jì)，采用直接欺騙的方法與無人機(jī)沒有收到欺騙干擾信號(hào)的航行軌跡進(jìn)行對(duì)比，感測(cè)無人機(jī)的航行軌跡如圖6所示。

圖6 提高UAV速度與加速度后受干擾前軌跡圖

3.3.2 無人機(jī)速度與加速度值增加后與原速度和加速度的對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)的無人機(jī)航行過程與上文實(shí)驗(yàn)中無人機(jī)的航行過程相同，本次對(duì)比試驗(yàn)的變量為速度與加速的改變。具體過程與加速度、速度的值如下：假設(shè)無人機(jī)從坐標(biāo)原點(diǎn)開始進(jìn)行航行狀態(tài)，沿縱坐標(biāo)軸飛行四分鐘，此時(shí)無人機(jī)的航向速度達(dá)十米每秒，四分鐘至六分鐘的時(shí)間段無人機(jī)開始做緩慢轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)彎最終的飛行方向?yàn)闄M坐標(biāo)正向方向，轉(zhuǎn)彎的過程中加速度數(shù)值大小為0.8 m/s2，完成轉(zhuǎn)彎的加速度便恢復(fù)為0，無人機(jī)繼續(xù)以十米每秒的速度航行，做直線勻速運(yùn)動(dòng)。沿橫坐標(biāo)正軸方向勻速直線勻速運(yùn)動(dòng)一分鐘后開始迅速向縱坐標(biāo)負(fù)方向迅速轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎時(shí)的速度為向橫坐標(biāo)轉(zhuǎn)彎時(shí)加速的的三倍。轉(zhuǎn)彎后的加速度大小依舊恢復(fù)為0，無人機(jī)航行的八分鐘到十分鐘便沿縱坐標(biāo)負(fù)方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)。最后本實(shí)驗(yàn)采用軌跡融合技術(shù)對(duì)無人機(jī)的航行軌跡進(jìn)行調(diào)整，最終在速度與加速度大幅提升的情況下干擾軌跡圖見圖7。

圖7 欺騙前后UVA軌跡圖

3.4 采用FDI算法驗(yàn)證

FDI算法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證具有容錯(cuò)性高、精準(zhǔn)度高、實(shí)時(shí)性能好等特點(diǎn)，利用這種算法不僅能夠較為精準(zhǔn)的計(jì)算出導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)物流配送軌跡控制的可行性，還能對(duì)實(shí)驗(yàn)中的問題進(jìn)行改正調(diào)整。FDI的算法流程如圖8所示。

圖8 FDI算法流程圖

這種算法不僅可以計(jì)算出無人機(jī)航行的軌跡，還可以對(duì)無人機(jī)的航行姿態(tài)、速度、高度等方面進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要依靠算法系統(tǒng)的軟件進(jìn)行配合，在多個(gè)任務(wù)模塊的同時(shí)運(yùn)作下實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)以及信息的處理。計(jì)算的同時(shí)需要無人機(jī)正在空中航行確保收到的信息具備實(shí)時(shí)性和有效性。針對(duì)于GPS/INS符合導(dǎo)航的特征，本文還使用&2檢測(cè)方法確定信息的有效性。最終利用FDI的計(jì)算結(jié)果見圖9。

圖9 采用FDI算法的高度結(jié)果

4 結(jié)束語

無人機(jī)與GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航的相互配合，使快遞物流的運(yùn)輸效率得到顯著的提升，讓物流配送業(yè)實(shí)現(xiàn)了從人工配送到智能配送的大跨越。本文中的第一節(jié)內(nèi)容主要分析了無人機(jī)在航行過程中常規(guī)的航行姿態(tài)的識(shí)別與影響因素，主要有無人機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)、無人機(jī)的航向運(yùn)動(dòng)、無人機(jī)的仰俯運(yùn)動(dòng)。根據(jù)計(jì)算分析，這些無人機(jī)的航行姿態(tài)均受無人機(jī)自身的速度、加速度等因素的影響，三者之間有一定的相似性，研究他們的軌跡影響因素以及識(shí)別以便將來能夠更好的對(duì)無人機(jī)進(jìn)行控制。本文還對(duì)GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航的控制流程做了簡要的分析，為第三節(jié)的實(shí)驗(yàn)夯實(shí)了基礎(chǔ)。最后本文通過對(duì)比試驗(yàn)逐一的分別對(duì)無人機(jī)有無干擾進(jìn)行軌跡對(duì)比，再通過對(duì)比無人機(jī)在航行狀態(tài)下速度與加速度的變化進(jìn)行對(duì)比，選擇出最佳的基于GPS/INS復(fù)合導(dǎo)航的控制方案。并利用FDI算法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。